高能飞秒脉冲激光与金属靶材相互作用的烧蚀动力学研究

摘要

脉冲激光技术因其迅猛发展及诱人的应用前景,使其成为当今世界的研究热点之一。飞秒激光微精细加工以其超短脉宽与超强功率密度,可以实现对任何材料的精细加工特性,与长脉冲激光相比具有不可比拟的优势。其相关的理论研究取得许多突破性进展,但是有关飞秒脉冲激光与物质相互作用的烧蚀动力学过程,尚有许多地方待深入探讨。目前激光的研究朝着更强(1020W/cm2)与更快(10-18s)的方向进一步发展,也呼唤着理论研究的不断进步。本文针对飞秒激光烧蚀金属靶材过程中科研工作者未曾注意的一些问题,如激光烧蚀参数与烧蚀性质之间的本质联系,在超短与超强脉冲激光烧蚀过程中蒸发效应及电子态密度(DOS)效应等,进行了比较深入地探讨。
　　本文主要分析了飞秒脉冲激光烧蚀金属靶材机理,着重分析了在高能飞秒脉冲激光烧蚀金属靶材过程中,物理参数的变化对烧蚀过程的影响,研究了考虑DOS效应的烧蚀动力学新特征,建立了考虑动态物理参数效应的新烧蚀动力学方程(DOS-TTM),对比分析通常使用的双温模型TTM和DOS-TTM结果,验证了高能域飞秒脉冲激光烧蚀金属靶材时考虑DOS效应的正确性。本文共分五章,具体内容如下安排:
　　第一章绪论部分对飞秒激光的发展、应用以及与其他加工方式相比飞秒激光烧蚀靶材所表现出的优势做了简单介绍,对飞秒激光烧蚀金属靶材的研究进展,背景及研究意义做了简要综述。
　　第二章中简要讨论了飞秒脉冲激光烧蚀金属靶材原理,分析了飞秒脉冲激光烧蚀金属靶材的过程。根据烧蚀特性分阶段建立相应的烧蚀模型:脉冲激光烧蚀阶段,耦合阶段以及傅立叶热传导阶段。通过有限差分法得到靶材内部电子、晶格温度随时间和空间分布的差分方程。
　　第三章研究了双温方程中的电子热容量,电声耦合系数及电子热导率对金属靶材烧蚀结果的影响。以金属金靶材为例,在取值范围内,对电子热容量,电声耦合系数以及电子热导率三个热物理参数分别按等差规律,合理地取三个常数值,通过模拟计算靶材表面电子、晶格温度随时间演化的规律,着重研究了这三个热物理参数对靶材表面电子最高温度,电声耦合时间以及电声耦合温度的影响。研究结果表明,电子热容量,电声耦合系数及电子热导率分别对靶材表面电子最高温度,电声耦合时间以及电声耦合温度均有一定程度的影响,其中电子热容量对靶材电子最高温影响较为显著,电声耦合系数对电声耦合时间的确定起着重要的作用,而电子热导率对电声耦合温度的确定起主导作用。
　　在第四章中,仍以金属金靶材为例,在考虑DOS效应的情况下,对高能域飞秒激光烧蚀过程进行深入探讨。模拟计算了在DOS效应下电子温度及晶格温度随时间及空间的分布。对比分析了电子热容量、电声耦合系数及电子热导率在考虑DOS效应的模型以及通常使用的各种传统计算模型。在通常使用的热传统双温模型(TTM)以及考虑DOS效应的DOS-TTM模型下,模拟计算了靶材表面电子及晶格温度随时间的演化,并利用第三章的结论分析了这些结果之间差异的内在物理本质。模拟计算了在考虑DOS效应的双温模型下的金金属的烧蚀阈值随靶材厚度变化关系。与通常的双温模型计算的结果相比,我们的结果更接近于实验值。进一步验证了在高能域飞秒激光烧蚀金属靶材过程中考虑DOS效应的正确性。
　　第五章对全文进行了总结及展望。
　　概括起来,本文创新点有以下几点:
　　(1)根据飞秒激光烧蚀过程不同阶段烧蚀特性不同,在双温模型建立的基础上,考虑蒸发效应,分阶段建立相应的烧蚀模型。
　　(2)研究了双温方程中热物理参数与烧蚀性质本质联系;
　　(3)建立了考虑DOS效应的高能与飞秒激光烧蚀双温模型,并利用热物理参数与烧蚀性质之间本质联系的研究结论解释了DOS—TTM与传统TTM烧蚀结果的内在本质差别。

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引 言

1 绪论

1.1 脉冲激光技术研究发展

1.2 飞秒激光烧蚀技术简介

1.3 超短脉冲激光烧蚀研究进展

1.4 飞秒激光烧蚀原理介绍

1.5 本文主要研究内容与创新点

2 飞秒激光烧蚀模型的建立与求解

2.1 飞秒激光烧蚀

2.2 脉冲作用阶段

2.3 双温耦合阶段

2.4 傅里叶热传导阶段

2.5 定解条件

2.6 双温模型数值求解——有限差分法

3 热物理参数对飞秒脉冲激光烧蚀金属性质的影响

3.1 引言

3.2 电子热容量对飞秒激光烧蚀结果的影响

3.3 电声耦合系数对飞秒激光烧蚀结果的影响

3.4 电子热导率对飞秒激光烧蚀结果的影响

3.5 结果对比

3.6 小结

4. DOS 效应对飞秒脉冲激光烧蚀金属性质的影响

4.1 引言

4.2 DOS 效应下电子热容量、电声耦合系数及电子热导率计算

4.3 靶材电子及晶格温度随时间、空间的分布规律

4.4 传统 TTM 与 DOS-TTM 下靶材表面电子晶格耦合特性

4.5 一般 TTM、DOS-TTM 模拟烧蚀阈值与实验值对比

4.6 小结

5 全文总结与展望

5.1 总结

5.2 本文创新点

5.3 展望

参考文献

后记

附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著